汞是一种具有毒性的化学元素，主要通过煤炭燃烧、工业排放以及自然过程如火山爆发等途径在全球范围内扩散。这种元素在水生食物链中会大量积累，尤其是在大型鱼类体内。不同形式的汞在沉积物和水中普遍存在。
甲基汞（methyl mercury）是由汞转化而来的，被认为是一种强效的神经毒素。它作为一种环境污染物，主要影响中枢神经系统，可能导致语言和记忆能力的障碍。其主要损害部位包括大脑的枕叶和小脑，神经毒性可能通过干扰谷氨酸的重摄取和导致神经细胞基因表达异常来实现。与矿山和工厂排放的无机汞不同，甲基汞能够穿过血脑屏障并通过胎盘影响发育中的胎儿。
早在40年前，科学家们就已发现某些细菌能够将环境中的汞转化为剧毒的甲基汞，但细菌具体是如何完成这一转化的仍然是一个未解之谜。研究者们面临的挑战是识别出能够转移甲基基团的蛋白质，并确定参与甲基汞生成的基因。
2013年3月，来自美国能源部橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory, ORNL）的研究团队揭示了微生物汞甲基化的遗传基础，为这一过程提供了新的理解。研究者们结合化学原理与基因组序列，鉴别出了两个关键基因，命名为hgcA和hgcB。通过实验，他们分别去除这两个基因，获得了失去甲基汞生成能力的突变体，随后再将这些基因重新插入，成功恢复了甲基汞的生成能力，从而验证了这一发现。
研究显示，这两个基因在所有已知的汞甲基化细菌中均有存在，研究人员预测还有超过50种其他微生物可能具有相似的基因对，能够进行汞甲基化。
2015年10月，ORNL的科学家Mircea Podar及其团队在来自全球各地的样本中进行了更广泛的基因搜索，结果表明，甲基汞的生成涉及到更多种类的细菌，生活在比预想中更广泛的生态系统中。
一个令人惊讶的发现是，某些甲基化基因的最高拷贝数来自北极阿拉斯加的融化冻土。这一发现引起了人们的关注，因为随着气候变化，每年融化的雪将继续释放汞污染物，并可能转化为甲基汞。
另一个意外发现是，废水处理厂和生物反应器中似乎也存在产生甲基汞基因的细菌。未来，研究人员希望通过对这些细菌群落的基因激活进行研究，揭示在这些设施中是否存在大量的甲基汞生成。
此外，研究团队在多个水样中发现的甲基汞基因似乎属于尚未在体外成功培养或测序的细菌，这提示甲基汞的生成可能在自然界中普遍存在。
重要的是，这些基因并未在人体肠道中发现，也未在其他哺乳动物的肠道菌群中检测到，而是存在于研究团队分析的无脊椎动物微生物组中。
对于广阔的海洋而言，尽管海洋鱼类是地球上甲基汞的主要来源，研究人员发现这些基因在海洋细菌中似乎并不存在。这可能是因为这些基因未在采样的海洋区域中存在，或者海洋中的甲基汞来源于其他非细菌性途径。研究人员正在进一步收集海洋样本以进行深入研究。
通过揭示汞甲基化的发生地点及其缺失区域，研究人员希望能够解开这一持久的谜题——为何细菌会进化出产生甲基汞的能力。
在最新的研究中，ORNL的研究人员开发了一种分子探针，使环境科学家能够更高效地检测环境中将汞转化为甲基汞所需的基因。相关研究成果于2016年7月15日在线发表在《Applied and Environmental Microbiology》期刊上，论文标题为“Development and Validation of Broad-Range Qualitative and Clade-Specific Quantitative Molecular Probes for Assessing Mercury Methylation in the Environment”。
论文的第一作者、ORNL的博士后Geoff Christensen表示：“如今，我们有了一种快速、简单且适用于任何环境的工具，可以测试能够使汞发生甲基化的微生物，并确定这些微生物的数量。”
在这项新研究中，研究人员对31种已知能够产生甲基汞的微生物菌株进行了探针测试，确诊率达94%。这一验证程序至关重要，因为它有助于在下一步中将这些探针应用于野外，以协助确定特定环境中可能产生的甲基汞含量。
论文的共同作者、ORNL生物科学处的科学家Dwayne Elias指出，这些探针的潜在应用包括测试污水处理厂的出水、过滤物和沉积物。这种测试可以廉价且快速地进行，为环境管理者、公用事业公司和政府提供重要信息。
Elias表示：“我们在一家废水处理厂发现了这些基因，因此它们很可能也存在于其他地方。”
开发这些分子探针及其验证方法，标志着人们在更好地理解微生物汞甲基化过程及设计降低健康风险的方法方面又向前迈进了一步。